完整版)板翅散熱器性能計算報告

1、空氣水熱交換器性能計算報告空氣水熱交換器性能計算報告前言：空氣水熱交換器利用風(fēng)扇驅(qū)動環(huán)境空氣來冷卻系統(tǒng)內(nèi)的乙二醇水混合液。根據(jù) GE 公司提供的參數(shù)，本文計算了該板翅式熱交換器（結(jié)構(gòu)尺寸最大為879mm 460mm58mm）的換熱性能和流阻。設(shè)計校對審核審定批準(zhǔn)1 技術(shù)參數(shù)和技術(shù)要求1.1 技術(shù)參數(shù) 要求熱交換器熱邊出口溫度 60，冷邊空氣入口溫度取 45。 熱邊：乙二醇水混合液， t 1/ =60 G 1=37.85L/min （10gpm）/ 3 3 冷邊：環(huán)境空氣， t 2/=45 G 2=0.85m3/s （1800ft 3/min ）1.2 技術(shù)要求換熱量 Q 11kW，熱邊流阻不大

2、于 8.72kPa, 冷邊流阻不大于 74.7Pa。2 計算數(shù)學(xué)模型分析 該熱交換器的計算，實際上是在結(jié)構(gòu)尺寸基本給定情況下的校核計算。根據(jù)已 知的資料，該熱交換器為熱邊兩流程、冷邊單流程純叉流熱交換器，去掉必要的結(jié) 構(gòu)尺寸，其芯體尺寸為 75039658，如圖 1（a）所示。這可看作是兩個完全相同， 熱容比 C* 相等的的單程叉流熱交換器芯體的組合，可折算為一個如圖1（b）所示芯體進行計算。L11500mm L258mm Ln198mm 隔板厚度 ZU0.4mm，熱邊封條寬度 B14mm，冷邊封條寬度 B26mm。共 13 頁 第 13 頁圖 1 芯體示意圖3 設(shè)計計算 設(shè)計計算由熱交換器的

3、熱力性能計算和流體阻力計算兩部分組成。3.1 熱力性能計算 熱邊（乙二醇水混合液邊）采用矩形鋸齒形波紋板，波紋板的結(jié)構(gòu)示意圖見圖 2a，數(shù)據(jù)如下：冷邊（空氣邊） 采用百葉窗式波紋板， 波紋板的結(jié)構(gòu)示意圖見圖 2b，數(shù)據(jù)如下：p 4.7mm 2l 09.3mm 2 0.10mm百葉窗節(jié)距 l p1.1mm 百葉窗高度 l h0.54mm 百葉窗長度 l j 7mm圖 2b 百葉窗式波紋板示意圖計算熱邊層數(shù) N1、冷邊層數(shù) N2由熱交換器芯體結(jié)構(gòu)可知，冷邊層數(shù) N2要比熱邊層數(shù) N1 多一層，即 N2N11， 取隔板厚度為 ZU 0.4mm，（h1 2 ZU）N12l 0N2Ln（320.4）N1

4、9.3 （N11）198N1 14 N 2 15則實際 Ln/（320.4）149.3 15192.73.1.1 計算當(dāng)量直徑 de乙二醇水邊 de1：X1=b1- 1=3.5-0.15=3.35mm Y 1=h1- 1=3-0.15=2.85mm則 d e1=2X1Y1/ （ X1 Y1）=23.352.85/ （3.35+2.85 ）=3.080 10-3 m空氣邊 de2：1112波高實長 l2* 1 2l022P22則 d e2=4（Pl 0-2l 2）/ （P+4l ）=4（4.74.65-2 4.7960.10）/（4.7+44.796） =3.499 10-3 m3.1.2 計算

5、流體流通面積 FfF1f=N1X1Y1（L2-2B1）/b 1 （應(yīng)考慮熱邊封條寬度） =143.35 2.85（58-24）/3.5 =0.191010-2m2F2f =N2（L 1-2 B2） （ 2l 04l L/P） （應(yīng)考慮冷邊封條寬度） =15（1500-26）（9.3 44.796 0.10/4.7 ）2=0.1985m23.1.3 計算迎風(fēng)面積 FyF1y=L2Ln/=58192.7=0.0112m2/2F2y=L1Ln/ =1500192.7=0.2891m23.1.4 計算孔度 1=F1f/F1y=0.191010-2/0.0112=0.171 2=F2f /F 2y=0.

6、1983/0.2891=0.6873.1.5 共用主傳熱面積 FzuFzu=2N1L1L2 =214150058 =2.436m23.1.6 定性溫度 t f根據(jù)公式 QGmCp( t 1 -t 1 )，其中：Q 要求的換熱量， kcal/h Gm介質(zhì)質(zhì)量流量， kg/s Cp介質(zhì)定壓比熱， kcal/(kg 計算后取 t 1/=65t則 t f1=(t 1/t 1/ )/2 62.5 3.1.7 查物性參數(shù)乙二醇水邊CP1=0.8066kcal/ ( kg) 1=0.3975kcal/ (mh) 1=1.0325kg/L-4 2 1=1.525510-4kgs/m2Pr)/2=57t f2

7、=(t 2/t 2/ )/2=51 空氣邊C P2=0.240kcal/ ( kg ) 2=2.436 10-2kcal/ (mh)32=1.0897kg/m3-6 22=2.00510-6kgs/m22=0.69783.1.8 水當(dāng)量 W，熱容比 C*，假設(shè)效率 0W1=G1CP1=37.85L/min/60 1.0325kg/L 0.8066kcal/(kg )=0.5254kcal/(s )W2=G2CP2=0.85m3/s 1.0897kg/m 30.240kcal/(kg )=0.2223kcal/(s )C=Wmin/Wmax=0.2223/0.5254=0.4231 則熱交換器假

8、設(shè)效率 0= W1 t1 t1 0.5254 65 60 =0.5909Wmin t1 t2 0.2223 65 453.1.9 質(zhì)量流速 1=G1/F 1f=(37.85L/min 1.0325kg/L)/(60 0.1910 10-2m2)2=341.01kg/m2s2 =G2/F 2f=0.85m3/s 1.0897kg/m 3/(0.1985m 2)2=4.669kg/(m 2s)3.1.10 計算雷諾數(shù) Re、普郎特數(shù) PrRe1=1de1/( 1g)2 -3 -4 2 2 =341.01kg/(m 2.s) 3.080 10-3m/(1.5255 10-4kg.s/m29.81m/

9、s2)=701.84Re2=2de2/( 2g)=4.669kg/(m 2.s) 3.5010-3m/(2.005 10-6kg.s/m29.81m/s2)=830.82Pr1= 1gCP1/ 1=(1.5255 10-49.81 0.8066) 3600/0.3975=10.933.1.11 計算放熱系數(shù)和摩擦因子 f 乙二醇水邊為矩形鋸齒形波紋板，根據(jù)資料 2P173 ，對于 Re1000，其準(zhǔn) 則方程適用于式( 6-65 )、(6-66 )：l 1/de 1=1.623 a 1*=b1/h 1=1.167 de 1=3.080 Re 1 701.84f 1=7.661(l 1/de 1)

10、 -0.384 a1*-0.092 Re1-0.712=7.6611.623-0.3841.167 -0.092 701.84 -0.712=0.0590j 1=0.483(l 1/de 1) -0.162 a1*-0.184 Re1-0.536=0.4831.623-0.1621.167 -0.184 701.84 -0.536=0.0129則1=j11CP1/Pr 10.67=0.0129 341.010.8066 3600/10.93 0.672=2581.17kcal/(m 2h )空氣邊為百葉窗式波紋板，根據(jù)資料 3P166 ，Davenport 公式：f 2=5.47Re2P-0.

11、72 l h0.37( 2l ) 0.23l P0.2( lj )0.89 ( 適用條件：70Re2=830.821000)2l-0.72 0.37=5.47 261.12 -0.72 0.54 0.37 (2 4.796)0.231.1 0.2(7) 0.892 4.796=0.1026j 2=0.249Re2P-0.42 l h0.33 2l 0.26( j )1.1 ( 適用條件： 300Re2=830.8240002l=0.249261.12-0.420.540.33(24.796)0.26( 2 47.796)1.1=0.0250式中 Re2P以百葉窗的節(jié)距 l P為特征長度，即以

12、l P為當(dāng)量直徑：Re2P= 2l P/( 2g)2=4.669kg/(m 2.s)1.110-3m/(2.005 10-6kg.s/m 29.81m/s 2)=261.12由努謝爾特數(shù)公式1Nu= de 及柯爾朋( Colburn )公式 j= NuPr 得 Re2=2 ? j2 Re12de2 Pr2 32.436 10 23.499 10 30.0250 830.8210.6978 3=128.10kcal/(m2h )3.1.12 計算肋片效率乙二醇水邊為矩形鋸齒形波紋板，計算 m 時需考慮波紋板邊緣暴露面積，由資料 2P154 式（6-15 ）（6-16 ）：m1=2 1 1 1f

13、1l12 2581.17 3 1 0.15 =443.77m-1180 0.15 10 3 2l 1=3/2-0.15=1.35mmm1l 1=473.771.35 10-3=0.5991L=th（m1l 1）/m 1l 1=th（0.659）/0.659=0.895 空氣邊為百葉窗式波紋板，由資料 2P154 式（ 6-15 ）（6-16 ）：2 2 2 128.10 -1 m2=2 3 =119.30m-1f 2 180 0.10 10 3l 2=4.796-0.10=4.696mm m2l 2=119.304.696 10-3=0.560 2L=th（m2l 2）/m 2l 2=th（0

14、.560）/0.560=0.9073.1.13 肋片有效傳熱面積 FLF1L=2N1（L2-2B1）L1Y11L/b 1 （應(yīng)考慮冷邊封條寬度）=214（58-24）15002.85 0.895/3.52=1.5305m2F2L=N2 （L1-2B2）4lL 22/P 2L （應(yīng)考慮冷邊封條寬度） =1558 （1500-26）44.7962/4.7 0.9072=9.5852m23.1.14 總有效傳熱面積 FeF1e=Fzu+F1L2=2.436+1.5305=3.9665m2F2e=Fzu+F2L=2.436+9.5852=12.0212m23.1.15 計算 KF值， NTU值KF=1

15、F1e1F1e2F2e2F2e2581.17 3.9665 128.10 12.0212 =1338.58kcal/ （h）2581.17 3.9665 128.10 12.0212NTU=KF/Wmin=1338.58kcal/（h ）/（0.2223kcal/s 3600） =1.6733.1.16 計算效率兩邊流體均不混合，按資料 2P161 式（ 6-35 ）計算 i值：i=1-expNTU0.22exp(-C*NTU0.78)-1/ C * =1-exp1.6730.22exp(-0.4231 1.673 0.78 )-1 /0.4231 =0.71063.1.17 散熱性能分析本文

16、計算的效率值( 0.7106 )大于假設(shè)效率( 0.5909 )。本文計算的換熱器效率 是趨于保守的，可從以下兩點來分析：(1) 計算數(shù)學(xué)模型時，是將熱邊作為單流程來處理的，而實際上產(chǎn)品熱邊是兩 流程，在兩流程拐彎處流體有一定的混合，使換熱性能有一定提高；(2) 選用計算公式時，按兩側(cè)流體均不混合來進行計算的，而實際所選用的 波紋板為鋸齒形波紋板和百葉窗式波紋板，流體在其中流動時均有一定的混合，這 對改善換熱性能有一定好處。工作中本產(chǎn)品性能可以滿足要求。3.1.18 計算冷熱邊出口溫度冷邊：t2/= t 2/+( Wmin )(t 1/-t 2/)=45+0.7106 ( 0.2223 ) (

17、65-45)=59.21 W20.2223高于假設(shè)的 57。熱邊：t1/=t 1/-( Wmin )(t 1/-t 2/)=65-0.7106 ( 0.2223 ) (65-45)=58.99 W10.5254低于要求的出口溫度 60。3.1.19 熱交換器設(shè)計換熱量 QsQs= Wmin(t 1 -t 2 )=0.7106(65-45) 0.2223kcal/(s ) 3600=11373.58kcal/h=13.23kW 大于要求的 11kW的換熱量。3.2 計算流體壓力損失 P 流體流經(jīng)緊湊式熱交換器時，一般在芯體進口處發(fā)生流動收縮，而在出口處發(fā) 生流動膨脹現(xiàn)象，這種突然的流動收縮和膨脹

18、，都會引起附加的流體壓力損失。此 外，流體流經(jīng)芯體時有摩擦損失。在多流程熱交換器中，流體在連接端蓋處拐彎，也有附加的壓力損失。故熱交換器的總壓力損失包括熱交換器芯體進口壓力損失、 熱交換器芯體出口壓力回升、 芯體內(nèi)的沿程損失及連接端蓋的附加損失， 按 資料(2) P169式( 6-48 )計算 P：2 P= (1- 2+K/)+2(-1)+f4Sm-(1-2-K/ ) +am2de3.2.1 計算熱邊壓力損失 P1 依次求出上式中各項： 質(zhì)量流速 1=341.01kg/(s m2) 進口溫度時熱邊流體密度為 1.0309kg/L ，則比容 1/=1/1030.9=0.00097m 3/kg 出

19、口溫度時熱邊流體密度為 1.0354kg/L ，則比容 1/ =1/1035.4=0.00097m 3/kg 則 m=( 1/ + 1/ )/2=0.00097孔度 1=0.171 使用矩形鋸齒形波紋板表面的目的是為了破壞邊界層，因而不可能具有充分發(fā) 展的層流那樣完全穩(wěn)定的流速分布，故應(yīng)根據(jù) 1=0.171 、Re1=由資料 1P176 頁圖 3-2 來查得壓力損失系數(shù) K1/=0.39，K1/ =0.68摩擦因子 f 1=0.0590 熱邊流程有一個 180拐彎，則附加阻力系數(shù) a1=5 流道長度(因采用兩流程，故熱邊流道長度為 2L1)S1=1500mm 當(dāng)量直徑 de1=3.080mm將以上各項代入前式可得出 :P1=6.53kPa滿足產(chǎn)品熱邊不大于 8.72kPa 的流阻要求。3.2.2 計算冷邊壓力損失 依次求出上式中各項： 質(zhì)量流速 2=4.669kg/(s m2)孔度 2=0.687 空氣進口壓力為大氣壓，即 P2/=10332.3kg/m2，空氣常數(shù) R=29.27m/，則進口溫度時空氣比容為 2/ =1/ 2/ =RT2 29.27 (45 273.15) =0.9013m3/kgP210332.3空氣出口壓力為大氣壓減去要求的壓降，